向皞月，董昊翔，劉曉華，陳偉奮，陳 凱，陽 華

(中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南 長沙 410083)

多組分一鍋法(Multi-component one-pot synthesis)是將三種或三種以上反應(yīng)原料投到反應(yīng)器中，在一定條件下進(jìn)行反應(yīng)，從而簡單有效合成復(fù)雜化合物的一種方法[1]。多組分一鍋法通常可以簡化分離程序、降低生產(chǎn)成本，因而被廣泛應(yīng)用于藥物合成中，具有重要的應(yīng)用潛力和研究價(jià)值。D?bner反應(yīng)，又稱Skraup-D?bner-von Miller喹啉合成反應(yīng)，是芳胺與醛和丙酮酸共熱縮合生成取代喹啉的反應(yīng)[2-3]，如圖1所示。該反應(yīng)是Skraup反應(yīng)的一個(gè)變體，具有原料簡單易得、反應(yīng)條件溫和、操作簡單、原子經(jīng)濟(jì)性高、反應(yīng)選擇性好、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于喹啉衍生物的合成。

圖1 D?bner反應(yīng)

喹啉及其衍生物是一類重要的有機(jī)小分子，在醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[4-6]。喹啉類化合物具有抗瘧疾、抗菌、抗真菌、抗哮喘、降壓、抗炎、抗血小板等活性，并且喹啉骨架廣泛存在于活性天然產(chǎn)物和合成藥物分子中。研究發(fā)現(xiàn)，喹啉是FDA批準(zhǔn)的小分子藥物中最常見的五種芳香雜環(huán)之一[7]。除了良好的生物藥理活性，喹啉衍生物在熒光和磷光探針領(lǐng)域也具有重要的應(yīng)用[8]。此外，喹啉類化合物作為高效的催化劑或配體，在不對稱合成催化領(lǐng)域也扮演著重要的角色[9]。鑒于喹啉化合物在不同領(lǐng)域的應(yīng)用前景，喹啉骨架的構(gòu)建方法一直是有機(jī)化學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)課的重要學(xué)習(xí)內(nèi)容之一。

2-苯基-4-喹啉羧酸，如圖2所示，別名辛可芬(Cinchophen)，具有解熱鎮(zhèn)痛抗炎作用[10-11]，可用于急慢性關(guān)節(jié)炎、風(fēng)濕痛、神經(jīng)痛、腰痛、痛風(fēng)和頭痛等。由于其具有一定的肝腎毒性，該藥目前已被淘汰，但可以作為寵物用藥進(jìn)行生產(chǎn)和銷售，如辛可芬-潑尼松龍復(fù)方制劑[12]。辛可芬，常溫下為淡黃色或白色結(jié)晶性粉末，可溶于乙酸乙酯、乙醇、乙醚、氯仿，幾乎不溶于水，味微苦，無臭，陽光下易變質(zhì)。

圖2 辛可芬的結(jié)構(gòu)式

關(guān)于辛可芬的合成方法已有較多的文獻(xiàn)報(bào)道，其中D?bner反應(yīng)和Pfitzinger反應(yīng)是合成辛可芬的兩種重要方法。Wilson等[12]發(fā)現(xiàn)靛紅和苯乙酮在堿性條件下回流16 h，然后酸化，可以較高的產(chǎn)率(87%)得到辛可芬，該方法稱為Pfitzinger反應(yīng)，如圖3所示。Pfitzinger反應(yīng)與D?bner反應(yīng)相比，產(chǎn)率更高，然而反應(yīng)時(shí)間較長(回流16 h)，不適合作為本科生實(shí)驗(yàn)。

圖3 Pfitzinger反應(yīng)合成辛可芬

喹啉環(huán)的構(gòu)建方法是有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)和藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要學(xué)習(xí)內(nèi)容。目前，大學(xué)合成化學(xué)教材所講授的喹啉構(gòu)建方法是Skraup喹啉合成法，以鄰氨基苯酚、甘油和濃硫酸為原料，以硝基苯為氧化劑，制備8-羥基喹啉[13]。該反應(yīng)需要使用大量濃硫酸，反應(yīng)較劇烈，對本科生實(shí)驗(yàn)而言存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)；而且產(chǎn)率受甘油的含水量影響，重現(xiàn)性較差。D?bner反應(yīng)可以簡單高效合成喹啉類藥物辛可芬，反應(yīng)溫和，并且原料廉價(jià)易得。我們在文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上[14-15]，優(yōu)化了D?bner反應(yīng)條件，改進(jìn)了分離提純方法，以適用于本科生實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)以廉價(jià)易得的苯甲醛、丙酮酸和苯胺為原料，在乙醇溶液中加熱回流 3 h，通過簡單萃取即可純化產(chǎn)品。本實(shí)驗(yàn)可以引入到本科生化學(xué)實(shí)驗(yàn)課中，替代傳統(tǒng)的Skraup反應(yīng)。其有助于鞏固喹啉環(huán)構(gòu)建的理論知識，提升學(xué)生喹啉化合物合成、表征和分析的能力，訓(xùn)練學(xué)生利用不同化合物理化性質(zhì)的差異優(yōu)化分離提純的科學(xué)思維，激發(fā)學(xué)生對化學(xué)研究的興趣。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

D?bner反應(yīng)的可能機(jī)理為，如圖4所示。首先，苯甲醛1a與苯胺2a進(jìn)行縮合反應(yīng)，脫去一分子水生成亞胺中間體I。然后，質(zhì)子化的亞胺I與丙酮酸3a發(fā)生曼尼希反應(yīng)得到中間體II，隨后，通過親電取代實(shí)現(xiàn)關(guān)環(huán)。中間體III經(jīng)歷脫水和氧化可以得到最終的產(chǎn)物4a。

1.2 試劑或材料

苯甲醛(AR, ≥98.5%)，上海滬試;丙酮酸(≥96%)，上海畢得醫(yī)藥;苯胺(AR, ≥99.5%)，麥克林;三氟甲磺酸(99%)，安耐吉;(±)-10-樟腦磺酸(98%), Alfa Aesar;磷酸(AR)，成都科隆化學(xué);濃硫酸(AR)，成都科隆化學(xué);氫氧化鉀(AR)，恒興試劑;三氟乙酸(≥99%)，Sigma-Aldrich;對甲基苯磺酸水合物(≥99%)，安耐吉;氘代DMSO(99.8 atom%D), 寧波萃英化學(xué)技術(shù)有限公司;無水乙醇(AR)，上海滬試;石油醚，乙酸乙酯，二氯甲烷均為分析純，北京沃海環(huán)球科技有限公司;薄層色譜硅膠板(HPTLC Silica Gel 60 GF254，樂研)，柱層析硅膠(200～300目)，樂研。所有試劑均直接使用，無需進(jìn)一步處理。

圖4 D?bner反應(yīng)可能的反應(yīng)路徑

1.3 儀 器

主要儀器有：移液槍、電子分析天平、紅外光譜儀、紫外分析儀、核磁共振儀波譜儀、真空干燥槽、磁力攪拌加熱器、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、微波合成工作臺(tái)。

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

1.4.1 配制溶液

1 mol/L KOH溶液：稱取5.6 g的KOH (分子量56.1， 0.1 mol)，溶解于100 mL水中，冷卻至室溫后轉(zhuǎn)移到橡膠塞的細(xì)口瓶中儲(chǔ)存。

1 mol/L H2SO4溶液：量取10 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%的濃硫酸，在攪拌下緩慢加入到90 mL水中，配制成濃度為1 M H2SO4溶液，冷卻到室溫后轉(zhuǎn)移到細(xì)口瓶中儲(chǔ)存。

0.1 mol/L對甲基苯磺酸的乙醇溶液：準(zhǔn)確稱取1.90 g一水合對甲苯磺酸(分子量190.2，0.01 mol)，在燒杯中用無水乙醇稀釋，轉(zhuǎn)移到100 mL容量瓶中，用無水乙醇定容至刻度線，轉(zhuǎn)移至具塞錐形瓶儲(chǔ)存。

1.4.2 預(yù)實(shí)驗(yàn)

(1)D?bner反應(yīng)條件優(yōu)化

25 mL圓底燒瓶中加入1.0 mmol苯甲醛、1.2 mmol苯胺、0.05 mmol催化劑(0.5 mL 配置好的對甲苯磺酸乙醇溶液)、5.0 mL乙醇，攪拌均勻后加入1.0 mmol丙酮酸，常溫下攪拌并逐漸升溫至80 ℃，回流攪拌約3 h。反應(yīng)過程中通過薄層色譜監(jiān)測，展開劑選擇石油醚/乙酸乙酯(V/V=1:1)。反應(yīng)完成后，冷卻到室溫后，溶液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至干，以備純化?；谖墨I(xiàn)調(diào)研[14-15]，對反應(yīng)條件進(jìn)行了優(yōu)化，以適用于本科化學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

(2)微波合成方法

微波合成是以微波能量對反應(yīng)體系加熱來進(jìn)行有機(jī)化學(xué)合成反應(yīng)的技術(shù)，具有加熱快速、受熱均勻等優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)對比了傳統(tǒng)加熱和微波加熱條件，可供教師選擇開展。向10 mL微波合成封管內(nèi)加入1.0 mmol苯甲醛、1.2 mmol苯胺、 0.05 mmol催化劑、3 mL乙醇，攪拌均勻后加入1.0 mmol丙酮酸，常溫?cái)嚢? min，封口，然后將封管置于150 W微波輻射下反應(yīng)6～8 min。每隔2 min使用TLC板監(jiān)測反應(yīng)進(jìn)程，使用石油醚/乙酸乙酯(V/V=1∶1)作為展開劑。待冷卻后，旋蒸濃縮至干，以備純化。

(3)分離純化方法

對比不同的分離純化方法：柱色譜、萃取分離和重結(jié)晶。結(jié)果表明，柱色譜和重結(jié)晶法耗時(shí)較長，并且在基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)有相關(guān)的教學(xué)環(huán)節(jié)。分析反應(yīng)體系中各物質(zhì)pKa和溶解性的差異，可發(fā)現(xiàn)通過簡單的萃取操作應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)較好的分離提純。萃取操作流程的設(shè)計(jì)不僅可幫助學(xué)生理解化合物理化性質(zhì)的差異，鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維，從而提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。萃取操作流程：將濃縮后所得粘稠油狀物或固體溶于乙酸乙酯，轉(zhuǎn)移到分液漏斗，用堿性水溶液萃取，合并水層用1 mol/L的H2SO4酸化至pH為3～4，乙酸乙酯萃取三次，合并有機(jī)相置于錐形瓶。有機(jī)相用無水硫酸鈉干燥、轉(zhuǎn)移到燒瓶內(nèi)，旋蒸濃縮至干，計(jì)算產(chǎn)率。

1.4.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

(1)制備反應(yīng)

向干燥的100 mL三口燒瓶中用移液槍加入苯甲醛0.30 mL (3.0 mmol)、苯胺0.33 mL (3.6 mmol)， 然后加入15 mL配置好的0.1 mol/L對甲基苯磺酸的乙醇溶液，隨后加入20 mL乙醇，攪拌均勻，若未溶解可適當(dāng)加熱促進(jìn)溶解。將0.25 mL (3.0 mmol)丙酮酸加入5.0 mL無水乙醇，通過恒壓滴液漏斗緩慢加入反應(yīng)體系。在水浴或油浴加熱攪拌下先緩慢滴入約0.5 mL。升溫至80 ℃，待反應(yīng)體系開始回流后，將恒壓滴液漏斗中剩余丙酮酸溶液緩慢滴入三口瓶，約10 min滴完。反應(yīng)過程中，用薄層色譜每隔30 min 監(jiān)測反應(yīng)進(jìn)程，展開劑為石油醚∶乙酸乙酯 (V/V=1∶1)，反應(yīng)產(chǎn)物Rf值為～0.6。反應(yīng)過程中，溶液的顏色逐漸由淡黃變?yōu)樯铧S。反應(yīng)大約3 h 后，TLC監(jiān)測顯示反應(yīng)已經(jīng)進(jìn)行完全，將反應(yīng)體系自然冷卻至室溫。反應(yīng)液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至干，得到橘黃色粘稠油狀物，記錄粗產(chǎn)物重量。

(2)分離純化

粗產(chǎn)物溶解于15 mL乙酸乙酯中，轉(zhuǎn)移至分液漏斗中。用KOH水溶液(1 mol/L)萃取三次，每次約10 mL。合并水相，用H2SO4水溶液(1 mol/L)酸化至pH為3～4，然后用乙酸乙酯萃取三次，每次15 mL。合并有機(jī)相到錐形瓶，加入無水硫酸鈉干燥，然后將有機(jī)相旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至干，稱重，計(jì)算產(chǎn)率(如產(chǎn)物中含有少量雜質(zhì)，可將所得產(chǎn)物通過乙醇-水混合溶劑體系進(jìn)行重結(jié)晶，進(jìn)一步純化以提高產(chǎn)物的純度)。

(3)結(jié)構(gòu)表征

取約20 mg產(chǎn)物用氘代DMSO溶解，將所得產(chǎn)物進(jìn)行核磁共振氫譜表征，分析氫譜數(shù)據(jù)，解析化合物結(jié)構(gòu)。測定結(jié)束后加入10 μL重水進(jìn)行質(zhì)子交換，然后再測定核磁共振氫譜以確定活潑氫位置。取少量研磨后的固體粉末和溴化鉀混合均勻，壓片，測定所得產(chǎn)物的紅外吸收光譜。

2 結(jié)果與討論

2.1 條件優(yōu)化

基于文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果，我們對常用的有機(jī)酸和無機(jī)酸進(jìn)行了篩選，最終確定對甲苯磺酸作為該反應(yīng)的催化劑(表1，條件 1～6)。降低溫度，反應(yīng)產(chǎn)率明顯降低(條件7)。當(dāng)溫度降低至40 ℃時(shí)，則反應(yīng)基本沒有發(fā)生(條件8)。由于提高反應(yīng)物的濃度，可以減小萃取過程中的損失，因此在3.0 mmol規(guī)模反應(yīng)時(shí)，產(chǎn)物產(chǎn)率可提高至84%(條件9)。最終，確定的最優(yōu)反應(yīng)條件為：丙酮酸 (3.0 mmol)、苯胺 (1.2當(dāng)量)和苯甲醛 (1.0當(dāng)量)溶解于20 mL乙醇中，在80 ℃加熱回流3 h。值得注意的是，在微波條件下，反應(yīng)時(shí)間可縮短至6 min，而反應(yīng)產(chǎn)率并沒有明顯損失(條件10)。微波合成實(shí)驗(yàn)可以作為演示實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生了解前沿的合成技術(shù)。

表1 反應(yīng)條件優(yōu)化a

2.2 微波合成方法

對于微波反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)長從3 h縮短到了6 min，并且產(chǎn)率沒有明顯的降低，因此微波反應(yīng)可以大大縮短反應(yīng)時(shí)長。由于微波合成儀造價(jià)較為高昂，部分學(xué)?？赡懿⒉痪邆溟_展本科生微波實(shí)驗(yàn)的條件。因而，在教學(xué)過程中建議作為演示實(shí)驗(yàn)開設(shè)，或者分組實(shí)驗(yàn)一人做回流反應(yīng)，一人做微波反應(yīng)，有利于讓學(xué)生熟悉現(xiàn)代合成方法。

2.3 分離純化方法

由于辛可芬的羧酸基團(tuán)與硅膠有較強(qiáng)的結(jié)合能力，柱層析分離對于本科生而言具有較大的難度。當(dāng)溶液中雜質(zhì)含量高時(shí)，重結(jié)晶方法并不適用，而多次重結(jié)晶往往造成收率降低。分析反應(yīng)混合物中各物質(zhì)的理化性質(zhì)可知，丙酮酸、對甲苯磺酸、辛可芬為酸，而苯胺為堿。將反應(yīng)混合物濃縮后溶于乙酸乙酯，用堿性水溶液萃取，可以使苯胺和苯甲醛留在有機(jī)相，而丙酮酸、對甲苯磺酸、和辛可芬以鹽的形式存在于水相，如表2所示。由于三種酸中辛可芬的酸性最弱，控制pH在3～4，使辛可芬以酸的形式存在溶液中，而對甲苯磺酸和丙酮酸則仍然主要以離子的形式存在。在pH為3～4時(shí)，辛可芬?guī)缀醪蝗苡谒虼擞靡宜嵋阴ポ腿】梢詫?shí)現(xiàn)辛可芬與丙酮酸、對甲苯磺酸的分離。

表2 萃取方案設(shè)計(jì)

2.4 結(jié)構(gòu)表征

表征結(jié)果如下：產(chǎn)物為白色至淺黃色固體。產(chǎn)率： 0.628 g, 84%. IR (KBr) νmax： 3445, 2460, 1920, 1703, 1644, 1602, 1547, 1451, 1357, 1256, 1200, 1079, 893, 760, 731, 699， 645 cm-1，如圖5所示。1H NMR (400 MHz, DMSO-d6) δ 13.88 (br s, 1H), 8.70 (d, J=8.4 Hz, 1 H), 8.49 (s, 1 H), 8.32 (d, J=7.2 Hz, 2 H), 8.19 (d, J=8.4 Hz, 1 H), 7.87 (t, J=7.8, 8.0 Hz, 1H), 7.73 (t, J=7.8, 8.0 Hz, 1H), 7.58 (m, 3H)，如圖6所示。核磁和紅外光譜與標(biāo)準(zhǔn)譜圖進(jìn)行對照[14-15]，特征峰吻合較好，表明所得化合物為預(yù)期的產(chǎn)物。

圖5 紅外表征譜圖

圖6 核磁共振氫譜

3 結(jié) 語

本實(shí)驗(yàn)總用時(shí)約6 h，可作為應(yīng)用化學(xué)、制藥工程、藥學(xué)等相關(guān)專業(yè)三年級本科生的綜合性實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)所制備的產(chǎn)物為獸用藥物辛可芬，具有較好的生物活性和應(yīng)用價(jià)值。本教學(xué)實(shí)驗(yàn)具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1) 實(shí)驗(yàn)過程操作簡單、產(chǎn)率高、反應(yīng)選擇性好、原子經(jīng)濟(jì)性高，符合綠色化學(xué)的發(fā)展理念；(2)試劑廉價(jià)易得，以安全環(huán)保的乙醇為溶劑體系；(3)集有機(jī)合成和儀器分析于一體，鍛煉學(xué)生的科研創(chuàng)新能力。本教學(xué)實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生學(xué)習(xí)和鞏固喹啉骨架的構(gòu)建知識，拓展學(xué)生的知識面，訓(xùn)練學(xué)生跟蹤監(jiān)測反應(yīng)過程和根據(jù)化合物性質(zhì)設(shè)計(jì)分離提純方法的能力，從而提高學(xué)生的科研創(chuàng)新能力。

4 創(chuàng)新性聲明

(1)反應(yīng)區(qū)域選擇性好、原子經(jīng)濟(jì)性高、溶劑體系環(huán)境友好，符合綠色化學(xué)的發(fā)展理念；

(2)微波合成實(shí)驗(yàn)作為演示實(shí)驗(yàn)，有助于學(xué)生了解合成化學(xué)前沿技術(shù)；

(3)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富，集有機(jī)合成和儀器分析于一體的研究探索型實(shí)驗(yàn)；

(4)踐行科教融合，引領(lǐng)學(xué)生瞄準(zhǔn)科研前沿，拓展科研思維，激發(fā)化學(xué)研究興趣。